热力设备的性能评价分析陈则韶

第八节主要热力设备的热力性能评价方法•1锅炉•2蒸汽轮机•3压缩机•4喷嘴和扩压管•5冷凝器和水预热器热力循环中包括有吸热、放热、做功、耗功、能量形式转换和能量、工质的输运的各热力设备，它们的热力性能是构成热力循环性能的基础。接下来介绍若干主要热力设备的热力性能分析与评价方法1锅炉锅炉是将燃料的化学能经过燃烧的方式转化为工质热能的设备，是热电厂的心脏锅炉的工作原理1）锅炉的能量平衡分析lmssmggmlmaammfLfmqqhqhqhqhqhqHq,,,0,烟气ggmhq,炉渣ssmhq,fLfmhq,燃料aamhq,空气Lmhq水蒸气0hqm给水热损Lmqq锅炉效率定义为锅炉产生的蒸汽所接受的热量与供给锅炉的燃料燃烧热值之比锅炉效率BfLfmlmBHqhhq,0)(应用此式进行计算为正平衡法，正平衡法所需数据容易测量，但是不能分析影响锅炉效率原因。反平衡法计算锅炉的效率fLfmlmssmggmBHqqqhqhq,,,1由上面得式子可知锅炉的效率小于1，如果锅炉的排烟温度是1630℃，空气温度为30℃，则排除烟气损失有0.063的热量。普通锅炉效率较低仅有50%-60%，而理想情况下的卡诺循环是100%，可见普通锅炉有很大的改进空间，主要通过减少排出的烟气和炉渣的热量，其次是减少锅炉向外的传热。锅炉的热效率达到90%是否意味着锅炉的设计很合理呢？锅炉的有效能分析烟气uggmeq,炉渣ussmeq,fLufmeq,,fauameq,,Lmeq0,,ugmeq燃料空气水蒸气给水热损qLumeq,不可逆损失irumeq,,fLfmirumqLumgugmlumBirumqLumsusmgugmlumauamumfLufmHqeqeqeqeqeqeqeqeqeqeqeqeq,,,,,,,,,,,,,,,0,,,1锅炉的有效率1）正算法fLufmuumBueqeeq,,0,1,,)(2）反算法fLfmirumqLumgugmlumBirumqLumsusmgugmlumauamumfLufmHqeqeqeqeqeqeqeqeqeqeqeqeq,,,,,,,,,,,,,,,0,,,1和热效率一样，利用反算法的算式的分项计算可以清楚地弄清各个渠道损失的有效能比例数以便于改进设计。因此反算法的有效率分析式在分析中使用更方便。公式中燃料的有效能计算式可根据下面的式子进行计算：固体燃料气体燃料fLue,)89.378.691.692.055.1923.5()(000,fhfuswonshcTTHe)28.793.1184.1085.3()(242400,HhcchcohfuVVVVTTHe锅炉的不可逆热损失分析：在锅炉有效能分析中的锅炉内部不可逆性项包括燃料燃烧不可逆损失和燃气传热给工质时不可逆损失两部分。前者可由公式计算。后者原则上可有燃烧平衡温度的燃气变为烟气的有效能值与工质得到的有效能值之差再减去锅炉由热量损失的有效能得到。但是两者不易严格区分。irue,adgufauadirmeee,,,,例题18-4已知某锅炉给水为饱和水，，；出口蒸汽，，，；，，，，；烟气的比热容取：,烟气温度热损温度取近似饱和水温度炉渣温度取400k，环境温度。求：（1）锅炉的热效率（2）锅炉的热损量（3）锅炉烟气的最高温度（4）锅炉的有效率（5）锅炉的有效能损失率（6）热损的有效能损失率（7）锅炉烟气的有效能损失（8）分析锅炉的有效能损失并分析主要的损失因素KT3000'kgkjh/6.112'0393.00'sMPap5.171kgkjh/1.3495''15130.6''2skgkjqm/1kgkjHfL/30000hkgqfm/125.0,hkgqam/5.1,hkgqgm/615.1,hkgqsm/01.0,)/(2.1,kkgkjcap)/(2,kkgkjcspKTg420KTs478KT2800KT850113（1）锅炉的热效率：902.0)(,0fLfmlmBHqhhq（2）锅炉的热损量：应用能量守恒定律，取300k为锅炉烟气和炉渣焓为起算值0，焓用温差乘以比热容计算。kgkjhqhqhhqhqhqqqssggmaamfLfmLm/7.91)(01,,,（3）锅炉烟气的最高温度烟气的提供的热量应等于蒸汽的焓增量，故有KcqhhqTTggmmgg4.2165)(,11max,（4）锅炉的有效率：445.0)]'''('''[)(,,01001,,0,1,,fLufmfLufmuumBueqssThheqeeq（5）烟气的有效能损失率：0137.0)]/ln([,,000,,,,,,,fLufmggpgmfLufmgugmgirueqTTTTTcqeqeq（6）热损项有效能损失率：001.0)]/ln(1[,,0,,,fLufmsLmLirueqTTq（7）锅炉烟气的有效能比率：6784.0)]/ln([,,0max,00max,,,,,,max,,fLufmggpgmfLufmgugmgueqTTTTTcqeqeq（8）锅炉的不可逆因素：锅炉的不可逆因素有自发过程，烟气对水加热存在温差过程，锅炉烟气和高温水及水蒸气通过保温层的热损失，排除烟气和炉渣带走的有效能不是不可逆损失的有效能本锅炉的有效能损失率：燃烧过程的不可逆损失：555.01,,,BuBiru3126.01max,,,,guburniru2087.0,,,,,max,,,,LirugiruBuguQiru烟气给工质传热过程由于存在温差产生的有效能的不可逆损失：将计算结果绘制成图进行分析：损失率10%热效率90%有效能率44%有效能损失率56%传热不可逆损失38%燃烧不可逆损失58%排烟有效能损失2%热损项有效能损失2%有效能最主要损失项是不可逆热损失，因此提高锅炉有效率的方法是提高水蒸气压力。热效率图有效率图有效能损失分布图2蒸汽轮机蒸汽轮机是流动工质的焓转化为轴功输出的设备。蒸汽在膨胀过程中理论输出的轴功TN)(21hhqNmT蒸汽轮机在热工转换过程中包括有内部损失和外部损失。内部损失外部损失喷嘴损失涡流损失出口速度损失内部渗漏湿度损失摩擦损失轴承外部摩擦油泵及调速器的动力消耗外部放热当考虑高速气流对叶片的摩擦和气流之间的摩擦的内部不可逆损失蒸汽轮机的平衡方程为：)(''21hhqNmT摩擦生热使得所以蒸汽轮机的输出减少了。通常用等熵效率描述汽轮机的性能：'2h2hTTTww'如果考虑汽轮机的外壳有热量损失，记和分别表示单位蒸汽轮机的热损和比蒸汽质量的热损失量。''2.1''hqNQhqmTm考虑两种损失的汽轮机的熵效率可见，汽轮机的热量损失对其效率影响也很大；另外从电厂到锅炉出口到汽轮机入口的热量损失使得减小，严重影响汽轮机输出的轴功，其损失的热量是以可做功焓值为代价。应采取措施尽量减少高品质热量的散失。21''22211''hhhhhhqwwTTT1h122’Tw'Twhs3压缩机压缩机是功能转为工质的压能和热力学能的设备。压缩机的等熵效率定义为和是压缩机实际耗功和理论耗功。对于压缩机耗功装置，其不可逆损失在达到同样的压缩比下使耗功增加。ppcww'pw'pw3扩压管和渐缩管扩压管是把工质的速度能转化为压能的装置渐缩管是通过消耗工质压力提高工质速度的装置两者的性能用绝热效率表示，喷嘴的绝热效率为：扩压管的绝热效率为：21212222''hhhhwwN1211'PPPPN5冷凝器和水预热器在蒸汽动力循环中冷凝器。给水预热器等热交换器是重要的设备。定压情况下冷凝器中工质对环境（冷却水）放出的热量为：)(12hhqn式中为蒸汽的流量，h1和h2分别为蒸汽进、出口的比焓。冷凝器中的蒸汽流速很慢，因此摩擦损失可以忽略，等压冷凝过程可近似看做是可逆的。但是蒸汽与冷却水存在的温差传热是不可逆过程，对整个系统的性能有影响。很明显，如果冷凝器的换热效果很好，且冷却水流量较大，则蒸汽凝结温度就会接近冷凝水的入口温度T3,T3一定低于T2，使得冷凝压力降低，使汽轮机增大的功在冷凝器中表现为蒸汽凝结损失的有效能。因此通过冷凝器的蒸汽有效能损失分析法可以了解冷凝器对系统的输出功的影响。mq在蒸汽凝结以对应饱和蒸汽压力T2的饱和蒸汽压Ps，2的等压进行时；冷凝器中水蒸汽的流量失去的有效能流量为：假定冷凝器有很高的换热效率，蒸汽的理想冷凝温度可以降低到接近于冷却水入口的温度T3，对应于T3的饱和蒸汽压Ps，3,冷凝器从水蒸气失去的有效能流量为：)()[(21021,,.ssThhqEmLcondu)''()''[('21021,,.ssThhqEmLcondu